7、电力电缆的试验、监测与诊断

第七章电力电缆的试验、监测与诊断方瑞明博士/教授Email:[e-mail]什么是电力电缆？架空线电力电缆电力传输通道电力电缆的使用至今已有百余年历史:1879年爱迪生首次使用电缆实现地下输电。1911年德国敷设60kV高压电缆。1913年霍希施泰特研制成分相屏蔽电缆。1981年研制成1000kV的特高压电力电缆。为什么使用电缆？输电通道小不受环境污染影响可靠性高对人身及周围环境干扰小特殊应用环境使用电缆的优点制造工艺复杂造价高施工维修麻烦使用电缆的缺点电缆的种类油纸绝缘电缆气体绝缘电缆塑料绝缘电缆聚氯乙烯电缆聚乙烯电缆XLPE（交联聚乙烯电缆）塑料绝缘电缆铜量/1000t501001506670747882861231.电力电缆合计2.XLPE电缆3.油纸电缆交联聚乙烯电缆XLPE，crosslinkedpolyethylene30余年历史性能优良、工艺简单、安装方便得到广泛应用XLPE电缆的基本结构交联聚乙烯绝缘电缆结构示意图1、导体2、导体屏蔽3、交联聚乙烯绝缘4、绝缘屏蔽5、金属屏蔽6、填充7、内衬层8、铠装层9、外护套1.导电线芯：高导电率材料，绞线承圆形或扇形截面。2.绝缘层：高电阻率材料，tg、低而电气强度Eb高的油浸纸、橡皮或塑料。3.密封护套：保护绝缘线芯免受机械、水分、化学等的损伤，有时外部还有保护覆盖层。4.半导体层的作用：均匀电场，它可以克服电晕及游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡。固体电介质树枝化劣化在高电场强度作用下，固体介质内常出现树枝状局部损坏。在电场的持续作用下，这些树枝状微通道就可能沿电场方向贯穿整个绝缘，导致击穿。所以树枝现象也是预击穿现象。电树枝水树枝1.电树枝电极尖端处或微小空气隙、杂质等处电场较强，发生的放电逐渐发展，形成较细的沟状放电通道的碳化痕迹。电树枝通常笼廓较清晰2.水树枝水树枝通常笼廓较模糊水浸入绝缘层，在电场作用下形成的树枝状物。制造过程中残留在绝缘中的微水。运行中因机械损伤水分逐渐侵入。电场长期作用下绝缘中形成由微小的水滴及连接它们的水丝组成的水树枝。电场水份环境因素时间半导体层绝缘层内部半导体层电缆芯“残留水树“外部浸入水树导致水树发展的条件水树一般在电气强度较强的区域得到进一步的发展水树的老化过程通常较缓慢。水树是交联聚乙烯电缆事故的主要原因，约占事故的71%，多发生于自然劣化。水树枝一般是从内半导电层、屏蔽层与绝缘层界面上引发出来。若绝缘体内存有气隙或杂质，则会在电场方向产生并加剧蝶形领结状水树枝。这些水树枝不仅受电缆结构的影响，而且还受半导作层性能和形状、含水率、电压等级、电缆芯温度以及浸水条件等因素的影响。水树枝延伸最主要的条件是高温和浸水，有时水树枝的长度可以达到绝缘厚度的一半以上。水树枝延伸的时间特性36kV级XLPE电缆交流击穿场强与水树长度的关系水树引起的绝缘故障发展过程水树枝具有消失和重现的特点，有的水树枝受热、干燥、抽真空后会消失形态，浸入热水中又会重现。水树枝不会直接导致击穿，但会使绝缘强度降低，促进老化作用，缩短寿命。长期逐步发展最终将导致绝缘损坏.根据现场运行经验，水树枝劣化特性如下：（l）仅发生在6kV以上的高压交联聚乙烯电缆中。（2）从投运到破坏的时间需要数年至十几年，大多数在10年以上。（3）贯通绝缘体的水树枝状劣化，大部分能维持正常工作电压以上的电压值，只有在发生脉冲电压等异常电压时才产生破坏。（4）环境温度高时，劣化进程加快。因此对电力电缆绝缘本体进行故障监测是可行的，也是必要的。电缆线路的薄弱环节电缆线路的薄弱环节是终端和中间接头，这往往由于设计不良或制作工艺、材料不当而带来缺陷。有的缺陷在施工过程和验收试验中检出，更多的是在运行电压下受电场、热、化学的长期作用而逐渐发展，劣化直至暴露。除电缆头外，电缆本身也会发生一些故障，如机械损伤、铅包腐蚀、过热老化及偶尔有制造缺陷等。所以新敷设电缆时，要在敷设过程中配合试验；在制作终端头或中间头之前应进行试验，电缆竣工时应做交接试验。运行中的电缆要按《电力设备交接和预防性试验规程》规定的项目、周期、要求和说明进行试验。一、胶联电缆五阻值测量（一）测量主绝缘电阻（二）测量外护套绝缘电阻（三）测量内衬层绝缘电阻（四）铜屏蔽层电阻和导体电阻比（一）测量主绝缘电阻绝缘介质在直流电压作用下的电流包含充电电流、吸收电流和电导电流。如图1所示。图1绝缘介质在直流电压作用下各电流与时间的关系RO——加压瞬间的绝缘电阻；R∞——测量过程终了时的绝缘电阻；i1——充电电流；i2——吸收电流；i3——电导电流；i——总电流。▲充电电流i1：决定于被试绝缘的几何尺寸、形状和材料，这部分电流开始最大，但在10-15s～10-2s之内下降至可略去地步。▲吸收电流i2：主要是不均匀介质内部较为缓慢的极化形成的，极化时间从10-2s至几十分钟甚至几小时以上，这部分电流随着时间逐渐减小，通常在一分钟之内可降至可略去地步。▲电导电流i3：它又可分为两部分。一是绝缘表面的泄漏电流，其大小与绝缘表面的脏污、受潮程度有关；二是绝缘内部的电导电流，与绝缘内部杂质的含量、是否分层或开裂有关，其电流不随时间而降低。▲总电流I：是随时间衰减的，因此试品实际的绝缘电阻随着时间的增加而逐渐上升，并趋向稳定。这一过程可用吸收比来表示，下式：电缆绝缘受潮时或有贯穿性的缺陷，电导电流较大，则/的比值就小，由于总的电流衰减过程很长，实际上要测出/是有困难的，因此现场均采用R60S/R15S的比值，并称吸收比。应用这一原理，测量电缆绝缘电阻及吸收比，可初步判断电缆绝缘是否受潮、老化、并可检查耐压后的绝缘是否损伤。所以，耐压前后均应测量绝缘电阻。测量时，额定电压为1千伏及以上的电缆应使用2500伏兆欧表进行。3211iiiRRO测量电缆绝缘电阻的步骤及注意事项如下：（1）拆除对外联线，并用清洁干燥的布擦净电缆头，然后将非被试相缆芯与铅皮一同接地，逐相测量。试验前电缆要充分放电并接地，方法是将电缆导体及电缆金属护套接地。（2）根据被试电缆额定电压选择适当兆欧表。（3）若使用手摇式兆欧表，应将兆欧表放置在平稳的地方，不接线空测，在额定转速下指针应指到“∞”；再慢摇兆欧表，将兆欧表L、E端用引线短接，兆欧表指针应指零。这样说明兆欧表工作正常。（4）兆欧表有三个接线端子：接地端E、线路端子L、屏蔽端子G。为了测得准确，应在缆芯端部绝缘上或套管部装屏蔽环并接于兆欧表的屏蔽端子G，如图2所示。应注意线路L端子上引线处于高压状态，应悬空，不可拖放在地上。图2测量电缆绝缘电阻接线图1—导体；2—套管或绕包绝缘；3—电缆终端头；4—兆欧表运行中的电缆，其绝缘电阻应从各次试验数值的变化规律及相间的相互比较来综合判断，其相间不平衡系数一般不大于2～2.5。电缆绝缘电阻的数值随电缆温度和长度而变化。为便于比较，应换算为20℃时每公里长的数值。如式（1）所示。(1)式中：——电缆在20℃时，每公里长的绝缘电阻；——电缆长度为L，t℃时的绝缘电阻；L——电缆长度（公里）；——温度系数，如表1。表1电缆绝缘的温度换算系数K温度/℃0510152025303540K0.480.570.700.851.01.131.411.661.92停止时间较长的地下电缆可用土壤温度为准，运行不久的应测量导体直流电阻计算缆芯温度。良好电缆的绝缘电阻通常很高，其最低数值可按制造厂规定对0.6/1kV电缆用1000V兆欧表；0.6/1kV以上电缆用2500V兆欧表；其中6/6kV及以上电缆可用5000V兆欧表。状态检修规程：修订为3年。20iRitRK20iitRRKL（5）手摇并用清洁干燥的布擦净电缆头，然后将非被试相缆芯与铅皮一同接地，到达额定转速后(每分钟120转)，再搭接到被测相导体上。由于电缆电容很大，操作时兆欧表的摇动速度要均匀，如果转速不衡定，会使兆欧表指针摆动不定，带来测量误差。测量完毕，应先断开火线再停止摇动，以免电容电流对摇表反充电，每次测量都要充分放电，操作均应采用绝缘工具，防止电击。（6）当电缆较长充电电流较大时，兆欧表开始时指示数值很小，应继续摇动。一般测量绝缘电阻的同时测定吸收比，故应读取15s和60s时的绝缘电阻值。并逐相测量。（7）每次测完绝缘电阻后都要将电缆放电、接地。电缆线路越长，电容越大，则接地时间越长，一般不少于1min。（二）测量外护套绝缘电阻本项目只适应于三芯电缆的外护套，进行测试时，采用500V兆欧表，电压加在金属护套与外护层表面的石墨导电层之间，当每千米的绝缘电阻低于0.5MΩ时，应采用下述方法判断外护套是否进水：直埋橡塑电缆的外护套，特别是聚氯乙烯外护套，受地下水的长期浸泡吸水后，或者受到外力破坏而又未完全破损时，其绝缘电阻均有可能下降至规定值以下，因此不能仅根据绝缘电阻值降低来判断外护套破损进水。为此,提出了根据不同金属在电解质中形成原电池原理进行判断的方法。橡塑电缆的金属层、铠装层及其涂层用的材料有铜、铅、铁、锌和铝等。这些金属的电极电位如表2所示：表2金属的电极电位金属种类铜Cu铅Pb铁Fe锌Zn铝Al电位(V)+0.334-0.122-0.44-0.76-1.33当橡塑电缆的外护套破损并进水后，由于地下水是电解质，在铠装层的镀锌钢带上会产生对地-0.76V的电位，如内衬层也破损进水后，在镀锌钢带与铜屏蔽层之间形成原电池，会产生0.334-(-0.76)≈1.1V的电位差，当进水很多时，测到的电位差会变小。在原电池中铜为“正”极，镀锌钢带为“负”极。当外护套或内衬层破损进水后，用兆欧表测量时，每千米绝缘电阻值低于0.5MΩ时，用万用表的“正”、“负”表笔轮换测量铠装层对地或铠装层对铜屏蔽层的绝缘电阻，此时在测量回路内由于形成的原电池与万用表内干电池相串联，当极性组合使电压相加时，测得的电阻值较小；反之，测得的电阻值较大。因此上述两次测得的绝缘电阻值相差较大时，表明已形成原电池，就可判断外护套和内衬层已破损进水。外护套破损不一定要立即修理，但内衬层破损进水后，水分直接与电缆芯接触并可能会腐蚀铜屏蔽层，一般应尽快检修。状态检修规程：修订为3年。要求值为每千米绝缘电阻值不应低于0.5MΩ.对单芯电缆，由于其金属层（电缆金属套和金属屏蔽的总称）采用交叉互联接地方法，所以应按交叉互联系统试验方法进行试验。（三）测量内衬层绝缘电阻电压加在铜屏蔽与金属护套之间，周期及要求值同（二）。（四）铜屏蔽层电阻和导体电阻比在电缆投运前、重做终端或接头后、内衬层破损进水后，应在相同温度下测量铜屏蔽电阻和导体电阻比。可用电桥法测量，也可用压降法测量。测量一相电缆导体的直流电阻时，可用其他两相电缆导体作为另一端被试相导体的引线。铜屏蔽电阻试验接线如图3，导体电阻试验接线如图4。当前者与后者之比与投运前相比增加时，表明铜屏蔽层的直流电阻增大，铜屏蔽层有可能被腐蚀；当该比值与投运前相比减小时，表明附件中的导体连接点的接触电阻有增大的可能。图3铜屏蔽电阻试验接线图4导体电阻试验接线（五）附录：为了实现上述项目的测量，橡塑电缆附件中金属层的接地应按以下方法接地。1终端终端的铠装层和铜屏蔽层应分别用带绝缘的绞合导线单独接地。铜屏蔽层接地线的截面不得小于25mm2；铠装层接地线的截面不应小于10mm2。2中间接头中间接头内铜屏蔽层的接地线不得和铠装层连在一起，对接头两侧的铠装层必须用另一根接地线相连，而且还必须与铜屏蔽层绝缘。如接头的原结构中无内衬层时，应在铜屏蔽层外部增加内衬层，而且与电缆本体的内衬层搭接处的密封必须良好，即必须保证电缆的完整性和延续性。连接铠装层的地线外部必须有外护套而且具有与电缆外护套相同的绝缘和密封性能，即必须确保电缆外护套的完整性和延续性。二、交流耐压试验电力电缆在运行中，主绝缘要承受长期的额定电压，还要承受大气过电压、操作过电压、谐振过电压、工频过电压。因此电力电缆安装竣工后，投入运行前必需考核耐受电压水平，只有在规定的试验电压和持续时间下，绝缘不放电、不击穿，才能保证